高原地區(qū)被動式太陽能采暖房關(guān)鍵技術(shù)研究

邸克亮 耿欣欣

（1.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北建研建筑設(shè)計有限公司，河北 石家莊 050021）

0 前言

隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，人類對于生活的質(zhì)量要求要求越來越高，各類更適宜人類居住的建筑形式與日俱增，同時人們對于居住房屋的室內(nèi)舒適度的要求也隨著經(jīng)濟文化水平的提高而更加嚴(yán)格，從而導(dǎo)致建筑能耗急劇增加。當(dāng)前我國已經(jīng)承諾到2030 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060 年前實現(xiàn)碳中和，這是中國向世界的承諾，中國是有責(zé)任和擔(dān)當(dāng)?shù)拇髧?，如何積極推進(jìn)減少碳排放成為未來的主流。目前我國建筑能耗約占整個社會終端能源消耗量的近三分之一，我國居民住宅采暖占了較大比重。中國國土空間幅員遼闊，我們所處的各個地區(qū)氣候差異顯著，傳統(tǒng)供熱方式和設(shè)計方案并不適合如西藏阿里等極高海拔地區(qū)，這類區(qū)域環(huán)境保護(hù)壓力很大，傳統(tǒng)能源匱乏，冬季氣溫特別低，生活在這里的人民保守風(fēng)寒困擾，尋找一種適合極高海拔地區(qū)的新型供熱方式成為關(guān)注的熱點。如何針對不同區(qū)域的經(jīng)濟社會發(fā)展水平、氣候環(huán)境、資源環(huán)境等條件，制定適宜的建筑形式和采暖形式變得日趨重要。作為建筑行業(yè)從業(yè)人員，積極改進(jìn)建筑設(shè)計理念、積極尋求綠色低碳的建筑類別，從而減少我們的建筑能耗，提高居住建筑的室內(nèi)熱舒適度，減少建筑對傳統(tǒng)化石能源的消耗，達(dá)到節(jié)能降耗，降低碳排放，已成為我國社會亟待解決的重大問題。

西藏自治區(qū)的阿里地區(qū)是我國太陽輻射資源最富集的地區(qū)之一。這里海拔高，晴天較多，晝夜溫差大，日照時間較長，空氣稀薄，空氣中含有的塵埃量較少，透明度高，太陽輻射穿過大氣層時損失量小，從而該地區(qū)的地面輻射強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它地區(qū)，根據(jù)中國氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心提供的全國太陽能資源分布圖可知，藏西南地區(qū)部分地區(qū)年輻射總量超過9250MJ/m2。由于雨季主要集中在夏季，冬季幾乎都是晴天，很少有陰雨天氣。阿里地區(qū)位于中國西南邊陲、西藏自治區(qū)西北部、青藏高原西南部，轄域總面積34.5 萬平方公里，平均海拔4500m。全地區(qū)分為高原溫帶季風(fēng)干旱氣候區(qū)、高原寒帶季風(fēng)半干旱氣候區(qū)和高原寒帶季風(fēng)氣候區(qū)。日照充足，其中獅泉河鎮(zhèn)日照時數(shù)年3545.5h，為西藏最高。阿里地區(qū)豐富的太陽能資源為采用太陽能作為當(dāng)?shù)夭膳闹匾茉葱问教峁┝吮憷麠l件。我國按照各地區(qū)接受太陽總輻射量情況分區(qū)如圖1 所示。

圖1 全國太陽能資源分布圖

太陽能建筑是能夠在冬季集取、蓄存和分配太陽熱能的建筑建筑形式，太陽能建筑主要通過結(jié)合周圍所處的環(huán)境，設(shè)計合理布置建筑朝向，選取合適的建材和建筑構(gòu)造等方面來實現(xiàn)此功能。目前的太陽能建筑從利用太陽能的方式上可以分為：直接受益式太陽能建筑、集熱蓄熱墻式太陽能建筑、附加陽光間式太陽能建筑、組合式太陽能建筑等。

目前西藏自治區(qū)大多數(shù)村鎮(zhèn)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式均采用以砌塊類為主的磚混結(jié)構(gòu)，以阿里地區(qū)為例，建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式多數(shù)采用灰砂磚、混凝土小型空心砌塊、加氣混凝土砌塊等。過去，由于西藏居住建筑的設(shè)計一直以《西南建筑標(biāo)準(zhǔn)圖集》為依據(jù)，冬季沒有考慮采暖的情況，沒有很好地結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，充分利用豐富的太陽能資源，居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺乏科學(xué)的熱工設(shè)計，外墻保溫形式及厚度設(shè)置不合理。

被動式太陽房的形式很多，在西藏阿里地區(qū)主要包括附加陽光間和特朗勃墻等形式。附加陽光間是直接受益式和集熱蓄熱墻式的混合產(chǎn)物，是在帶有南向窗的采暖房間外使用玻璃等透光材料圍合成一定的空間。特朗勃墻是被動式太陽房的重要形式，在西藏地區(qū)應(yīng)用很多。

1.1 理論分析

借助于計算模擬技術(shù)將有效地預(yù)測室內(nèi)環(huán)境在采用被動式太陽能房系統(tǒng)時可能出現(xiàn)的狀況，從而為合理的選擇被動式太陽能房結(jié)構(gòu)與優(yōu)化方案的提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，建筑仿真模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于建筑環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域，貫穿于建筑設(shè)計的整個生命周期里，其中建筑冷熱負(fù)荷的計算及其冷熱源設(shè)備的能耗和經(jīng)濟性分析是其重要的內(nèi)容。

由清華大學(xué)研發(fā)的DeST 軟件為建筑環(huán)境和控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真模擬提供了很好的解決方案，它可以用來詳細(xì)分析建筑物的熱工特性和模擬系統(tǒng)性能，較好地解決了建筑物和系統(tǒng)設(shè)計耦合的問題。

西藏阿里地區(qū)典型附加陽光間如圖1.1 所示。在建筑外側(cè)設(shè)置陽光房，實際上就是增加了一個附加陽光間，它是將直接受益式建筑和集熱墻式建筑相結(jié)合而來的。其基本結(jié)構(gòu)是將附加陽光間建在房子南側(cè)，中間用有一面墻(有門、窗或通風(fēng)孔)把房子與陽光房隔開。在白天，太陽光透過陽光間透明蓋板，一部分直接進(jìn)入陽光間，一部分被陽光間地面和公共墻吸收并轉(zhuǎn)化成熱量，然后通過熱空氣循環(huán)和墻體的傳導(dǎo)進(jìn)入采暖房間，起到供暖作用。因此，陽光間不僅可以在白天供給房間以太陽熱能，還可以作為一個起緩沖作用的空間，減少房間的熱損失，使建筑物與陽光間相鄰的部分獲得一個溫和的環(huán)境。

圖1.1 多層陽臺附加陽光間

1.2 數(shù)值結(jié)果分析

將圖1.1 所示陽光間建立物理模型如圖1.2 所示，長4.08m，寬2.4m，高3m，南墻上窗戶尺寸為2.4m×1.7m。

圖1.2 附加陽光間結(jié)構(gòu)圖

陽光間模擬過程為設(shè)為穩(wěn)態(tài)模擬，圖1.3 為室外溫度與陽光間內(nèi)模擬溫度對比圖。

圖1.3 室外溫度與陽光間內(nèi)溫度對比圖

由圖1.3 可知，增設(shè)陽光間后，陽光間內(nèi)溫度明顯升高。15:00 溫升最高，內(nèi)外溫差達(dá)到4.53℃，18:30 溫升最小，達(dá)到3.31℃。附加陽光間能夠加熱陽光間內(nèi)空氣，從而提高房間溫度，間接起到向房間內(nèi)供暖的作用。

圖1.4 和圖1.5 分別展示了附加陽光間后，典型時刻陽光間內(nèi)中心截面空氣層的速度與溫度分布圖。

圖1.4 空氣層中心截面速度矢量圖

圖1.5 空氣層中心截面溫度分布

由圖1.4 和圖1.5 可知，由于吸收太陽光輻射能的原因，陽光間內(nèi)空氣溫度上升密度降低，會在陽光間內(nèi)形成類似自然對流的循環(huán)過程，并且導(dǎo)致了較為明顯的溫度分層現(xiàn)象。由圖1.4 和圖1.5 還可知，自然對流的速度很小，對舒適性影響很小，但溫度分層較為明顯，最大溫差可達(dá)3.7℃。

集熱蓄熱墻系統(tǒng)的一種發(fā)展形式為附加陽光間式被動太陽能建筑，如圖1.6 所示，是在房間南墻設(shè)置陽光間。陽光間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃等透光材料。冬季陽光間即可向房間內(nèi)供熱，又可作為緩沖，減少房間的熱損失；夏季利用反射窗簾，減少入射太陽輻射，從而構(gòu)建舒適的居住環(huán)境。陽光間可做生活間，也可做陽光走廊或門斗，在其內(nèi)部種植蔬菜和花草，美化環(huán)境，增加經(jīng)濟收益，縮短回收年限。附加陽光間外光立面增加了建筑的造型美，其熱效率高于集熱蓄熱墻式，缺點是造價較高，陽光間內(nèi)栽種植物易導(dǎo)致濕度大、有氣味。

圖1.6 附加陽光間原理圖

2 結(jié)語

總體而言，附加陽光間可以較為顯著的改善陽光間內(nèi)溫度環(huán)境，在經(jīng)濟條件允許的情況下為被動式太陽房的有效形式，對于太陽能的利用有一定的作用。